随着我国对空间探测技术的探索愈加深入,红外探测技术的性能要求越来越高。以研究气候变化领域的红外基准载荷为例,目前要求红外基准载荷可以识别的温度变化为每百年不到1K,因此要求研制的红外基准载荷必须具有灵敏度高、光谱连续、光谱分辨率高的特点。红外基准载荷对制冷机冷头温度的微小变化非常敏感,所以冷头温度微小变化会影响红外基准载荷的性能要求。机械制冷机普遍采用主动闭环控温方式,即对冷头处的温度偏差值进行PID控制运算,按照PID控制器计算出的控制量输出制冷功率来反馈调节冷头温度,进而使冷头温度维持稳定。但是目前制冷机只采用主动闭环控温方式的温度稳定度不能够满足高性能红外基准载荷对冷头温度稳定度要求,因此,如何提高机械制冷机冷头处的温度稳定度成为当前需要解决的难题。针对这些问题,本文对机械制冷机实现高稳定度控温技术进行了以下几个方面的研究:首先,对斯特林型脉管制冷机工作原理进行介绍,从脉管制冷机与红外基准载荷的耦合系统提取多级控温系统数学模型,得到多级控温系统的综合传递函数。其次,根据综合传递函数提出制冷机多级控温策略:在制冷机外壳控温和制冷机主动闭环控温的基础上补充精密补偿控温装置输出小加热量调节微小的冷头温度波动。再次,根据制冷机多级控温策略设计制冷机多级控温系统,比较位置式和增量式PID控制算法的特点以及PID参数整定方法。机械制冷机多级控温系统使用增量式PID控制算法调节冷头温度,并采用基于稳定裕度的PID参数整定方法确定多级控温参数。然后,将制冷机的耦合系统、综合多级温度控制算法和控制电路进行集成建模仿真,得到综合多级控温系统的控温参数初始值,在此基础上对控温参数进行稳定裕度分析并重新整定控温参数,并通过仿真模型分析热负载变化对制冷机多级控温系统稳定性能的影响。最后,通过实验对制冷机多级控温策略以及多级控温系统进行验证,修正制冷机多级控温系统控温参数,最终机械制冷机多级控温系统的温度稳定度达到了±10mK/30min。